Применение инновационных технологий в процессе преподавания технических и естественнонаучных дисциплин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение инновационных технологий в процессе преподавания технических и естественнонаучных дисциплин

к.т.н., доцент Кустов А.И.,

к.ф.-м.н., доцент ¹Мигель И.А., ¹

Доника И. И

Воронежский государственный педагогический университет

¹ Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)

В настоящее время происходит активное внедрение стандартов 3-го поколения. В соответствии с этими стандартами существенно снижается время, отведенное на аудиторные занятия. Поэтому, остро стоит проблема трансформации образовательного процесса на базе современного компетентностного подхода. Для специалистов в области технических дисциплин, пожалуй, наиболее важными являются профессиональные компетенции. Их формирование и закрепление происходит в процессе изучения материи, её свойств и методов обработки. Именно поэтому, так важны знания, умения и навыки, получаемые на первых этапах образовательного процесса, при изучении естественнонаучных дисциплин. К сожалению, традиционные технологии обучения уже не обеспечивают должного уровня освоения. Поэтому, их необходимо наполнить новым содержанием, нестандартными инновационными подходами к процессу преподавания.

В настоящей работе приводятся результаты исследований, направленные на трансформацию процессов изучения естественнонаучных и технических дисциплин с использованием комплексных лабораторных занятий (КЛЗ) [1].

Физика - наука экспериментальная. Однако, в современных условиях требования экономичности и безопасности опытов требуют их более тщательной подготовки, более осознанного проведения. Существенно повышаются требования к эффективности и наглядности моделирования изучаемых процессов, расчёту экстремальных значений физических величин, анализу результатов. В значительной степени эти проблемы решаются при внедрении в процесс изучения информационных технологий (ИТ). Основными элементами этого инновационного подхода являются цифровые образовательные ресурсы (ЦОР), комплексные лабораторные работы (КЛР), состоящие из компьютерного моделирования и инструментальных экспериментов, самостоятельно разработанные информационные программы (ИП), направленные на определение конкретных физических величин или расчёт их экстремальных значений с использованием стандартных Приложений Windows [2,3]. ЦОР помогают расширить возможности восприятия студентами конкретной физической закономерности, придают ей иной ракурс, формируют свежий взгляд на проблему, закладывают такие необходимые исследователю положительные черты как самостоятельность, компьютерная грамотность, выработка умения моделировать изучаемое явление или процесс.

Если для студентов материал изучаемой темы представляется сложным, ЦОР могут стать эффективным помощником в освоении основ темы - базовых положений (из электронных версий учебников), физических моделей, несложных задач, тест-проверок.

Не менее важным, чем ЦОР элементом предлагаемого нами инновационного подхода являются КЛP. Они должны усиливать эффект восприятия изучаемого явления или процесса через его экспериментальную проверку. При этом на первом этапе - компьютерном моделировании - обеспечивается углублённое понимание сути эксперимента, так как он неоднократно воспроизводится с различными значениями параметров установки (в том числе и с параметрами инструментального макета). Уже на этапе подготовки определяются номинальные значения и параметров элементов схем, и значения определяемых ими электрических величин. Пример использования КЛЗ для изучения физических закономерностей постоянного тока (законов Ома и Кирхгофа) приведен на рис. 1. На втором этапе проводятся инструментальные измерения на установке, параметры которой совпадают с параметрами компьютерных моделей (рис. 2). Однако, наиболее эффективным элементом инновационного подхода являются самостоятельно разработанные информационные программы (ИП), направленные на определение конкретных физических величин или расчёт их экстремальных значений с использованием стандартных Приложений (например, Excel).

Приведем в качестве примера использование функции «Поиск решения» для расчёта резонансной частоты контура. Если электромагнитные колебания совершаются под действием переменной э.д.с. U = U_m cos t, то соответствующее дифференциальное уравнение

Рис. 1 - Компьютерный вариант расчёта сложных электроцепей с помощью законов Кирхгофа

Рис. 2 - Модель вынужденных колебаний в магнитном контуре (резонанс)

вынужденных колебаний запишется в виде:

(1)

где U_m - амплитуда внешнего напряжения. Установившиеся вынужденные колебания будут происходить по гармоническому закону:

(2)

где амплитуда вынужденных колебаний в контуре определится выражением:

(3)

Тогда, с учётом , амплитуда силы тока в контуре в зависимости от циклической частоты :

(4)

где - полное сопротивление контура или импеданс.

Зависимость Z от частоты является причиной возникновения явления резонанса. Используя выражения для определения текущих и резонансных значений величин, (5-7), осуществляли расчёт и сравнивали их с результатами компьютерного моделирования.

(5)

(6)

(7)

Отдельно строили компьютерную модель кривых электромагнитного резонанса и применяли встроенную функцию «Поиск решения», рассчитывали значения , U_m , I_m (например, для конденсатора). Данные представляли в Excel в виде таблицы. Они соответствовали значениям параметров элементов в натурной установке. Величина I_m рассчитывалась с использованием встроенных математических функций. С помощью функции «Мастер диаграмм» строили графические зависимости (I_m от ), с вариацией аргумента в интервале циклических частот от 200-380 (рад/c). После построения линии тренда и задания его уравнения (рис. 3), вносили в соответствующую ячейку текущие значения и формулу для I_m в целевую. Функцию «Поиск решения» применяли после внесения ограничений (рис. 4).

Отчёт по результатам показывает, что для любого из выбранного интервала, значения I_m всегда меньше, чем рассчитанные на компьютере.

Рис. 3 - Тренд и уравнение резонансной кривой

Рис. 4 - Применение функции «Поиск решения»

Высокую эффективность применения имеют также КЛЗ на темы: “Баллистика тела, брошенного под углом к горизонту”, “Исследование электромагнитного резонанса в колебательном контуре”, “Изучение статистических закономерностей на примере распределения Максвелла” и др.

Таким образом, в работе рассмотрены результаты применения информационных технологий в учебном процессе, продемонстрирована их эффективность в такой естественнонаучной дисциплине как физика. Интерес к образовательному процессу (в части выбранных тем) повысился, а уровень усвоения возрос на 17 - 23%.

Литература

технический физический приложение лабораторный

1. Кустов, А.И. Повышение эффективности проведения занятий по физике с использованием информационных технологий [Текст] / А.И. Кустов, В.И. Тарлавский, И.А.Мигель // Образовательные технологии. 2007. №2 (24). С.19-23.

2. Кустов, А.И. Физика - базовая составляющая инженерного образования [Текст] / А.И. Кустов, И.А. Мигель, В.М Зеленев // Сб. материалов X Международной конференции «Физика в системе современного образования (ФССО-09)», Санкт-Петербург. - 2009. - Т.1 - С.185-187.

3. Кустов, А.И. Трансформация методологии преподавания технических и базовых естественно-научных дисциплин [Текст] /А.И. Кустов, И.А. Мигель, Д.В. Сергуткин //Сб. трудов XII Царскосельских чтений (Международной научной конференции). С-Пб. - 2008. - Т.III. - С.58-60.

4. Кустов, А.И. Разработка элементов инновационных учебно-методических комплексов с применением информационных технологий [Текст] /А.И. Кустов, С.А. Меркулов, И.А Щербинин. // Тезисы докладов V Региональной науч.- практ. конференции «Информационные технологии в образовательном процессе педагогического ВУЗа и школы». Воронеж- 2011. - С.49-52.

Размещено на Allbest.ru